传热传质学第5章45学时相变换热

第五章 凝结与沸腾换热
(Condensation and Boiling Heat Transfer)
§5.4 沸腾换热
一、大容积沸腾
2、气泡的最小半径 最小半径相当于换热表面粗糙度的尺寸，最小半径由气相和
液相的热学和力学平衡决定。
由力平衡：Rcr2 Pv Pl 2Rcr
Ps ts
由热平衡：气泡中蒸汽是饱和的，饱和温度
§5.2膜状凝结换热分析解及实验关联式
一、表面传热系数的定义
q hts tw
s—Saturated w-wall
二、换热热阻
R
1 h
R
Rs = 凝结液膜热阻+相分界面热阻(相间热阻)
三、换热热流
Φ Mr
r-汽化潜热
Φ hAts tw
第五章 凝结与沸腾换热 (Condensation and Boiling Heat Transfer)
§5.3 影响膜状凝结换热因素的讨论
➢不凝气体：使换热系数减小。
➢蒸汽流速：流动方向一致，换热系数增大流动方向相 反，换热系数减小
➢过热蒸汽：计算公式中的汽化潜热改为过热蒸汽与饱 和液体的焓差
➢液膜过冷度：用r’代替公式中的r。r' r 0.68ts tw
➢管排的影响 将特征尺度d换成nd 。
(Condensation and Boiling Heat Transfer)
§5.2膜状凝结换热分析解及实验关联式
四、纯净蒸汽在静止空间内的凝结换热(求表面传热系数h) 假设：1.常物性； 2.蒸汽静止； 3.忽略液膜的惯性力； 4.无相间热阻（液膜温度等于饱和温度）； 5.液膜内只有导热，无对流（温度线性分布）； 6.忽略液膜的过冷度（液体的散热热流不计）； 7.汽相密度远小于液相密度； 8.液膜表面平整无波动。
只要求出某一段距离的平均液膜厚度，即可求出该段的平 均对流换热系数
第五章 凝结与沸腾换热
(Condensation and Boiling Heat Transfer)
§5.2膜状凝结换热分析解及实验关联式
四、纯净蒸汽在静止空间内的凝结换热(求表面传热系数h)
如何求液膜厚度的，见课本 1
4
LL t
三、沸腾换热的强化
第五章 作业（不要求） 12、17、27、35
第五章 凝结与沸腾换热 (Condensation and Boiling Heat Transfer)
§5.2膜状凝结换热分析解及实验关联式
四、纯净蒸汽在静止空间内的凝结换热(求表面传热系数h)
因为 所以
hx ts
tw
L
t y
y0
L
ts
tw
hx
L
只要求出液膜厚度沿x的变化，即可求出局部对流换热系数
壁面过热度
DDNNBB----DDeeppaarrttuurree ofofNuNcluecalreBaroiling CCHHFF—--CCrriittiiccaallHHeeaattFFluluxx Boiling
第五章 凝结与沸腾换热 (Condensation and Boiling Heat Transfer)
第五章 凝结与沸腾换热 (Condensation and Boiling Heat Transfer)
§5.1凝结换热现象
润湿性——液体从固体表面推开气体的现象
液cosθ 固液 固汽
液 cos 固汽 固液
液
固、汽
固、液
当θ<90o，液体润湿固体表面
当θ>90o，液体不润湿固体表面 当θ=0o，液体完全润湿固体表面；
§5.2膜状凝结换热分析解及实验关联式
四、流动状态的影响
凝结液膜的热阻与流动状态有关，通过层流流动液膜的热 流主要依靠导热，而通过紊流流动液膜的热流除导热外还以液 体的横向掺混。
流态的判定：液膜雷诺数Re
Re 4hxts tw
r
Re<1600时为层流
Re>1600时为紊流
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(Condensation and Boiling Heat Transfer)
§5.4 沸腾换热
一、大容积沸腾
自自 然然
热流密度 对对
沸腾状态
核态沸腾 膜态沸腾
流流
qqmax
((CCHHFF))
1、沸腾曲线
核态沸腾 核态沸腾
DNB DNB
膜态沸腾
过渡沸腾
膜态沸腾
➢控制加热壁温
➢控制加热热流
壁面过热度
g
s
2 L
r
tw
x
4
1
hx
4
gr
L ts
2 L
3L
tw
x
4
x
第五章 凝结与沸腾换热
(Condensation and Boiling Heat Transfer)
§5.2膜状凝结换热分析解及实验关联式
四、纯净蒸汽在静止空间内的凝结换热(求表面传热系数h)
1
h
0.943LgtrsL2tw3L
当θ=180o，液体完全不润湿固体表面；
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§5.1凝结换热现象
换热特点 ➢膜状凝结——液膜为换热的主要热阻 ➢珠状凝结——换热系数比膜状凝结高5~10倍。
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§5.4 沸腾换热
沸腾分类：
➢大容积沸腾—加热表面沉浸在具有自由表面的液体中的沸腾。 ➢强制对流沸腾—主要应用于管内沸腾
➢过冷沸腾—远离壁面的液体未到饱和温度时，在换热表面 上的沸腾，产生的汽泡进入较冷的液体内凝结
➢饱和沸腾—主体温度达到饱和温度，壁面温度高于饱和温 度时的沸腾。
第五章 凝结与沸腾换热
将Re数代入到换热系数关系式中得：
1 1
Nu 1.47 Re 3 Ga3
Ga
gL3
2
五、紊流膜状凝结换热
1
Nu Ga3
Re
58
Prs1
2
Prw Prs
1 4
Re3
4 253
9200
第五章 凝结与沸腾换热 (Condensation and Boiling Heat Transfer)
§5.4 沸腾换热
一、大容积沸腾
2、气泡的最小半径 核态沸腾温差较小，换热强烈，工业上一般都设计在这
个范围。核态沸腾区，气泡的扰动对换热起重要作用。气泡 的形成与脱落取决于微观特性和与过程有关的状态参数。气 泡的微观过程包括：
➢气泡的临界半径——气泡生成瞬间的最小半径 ➢气泡的增长速度
➢气泡的脱离直径 ➢气泡的脱离频率
1
h
1.13LgtrsL2tw3L
L
4
定性温度：除汽化潜热用饱和温度外，
其余物性全用tm查
tm
1 2
t
w
ts
x
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§5.2膜状凝结换热分析解及实验关联式
四、纯净蒸汽在静止空间内的凝结换热(求表面传热系数h)
L
4
水平圆管
1
h
0.729
LgtrsL2tw3Ld
4
1
hH 0.77 L 4
hV
d
x源自文库
第五章 凝结与沸腾换热
(Condensation and Boiling Heat Transfer)
§5.2膜状凝结换热分析解及实验关联式
四、纯净蒸汽在静止空间内的凝结换热(求表面传热系数h)
实际液膜下降的过程中，表面要产生波动，凝 结换热系数加强，工程上常将理论解放大20%
应等于周围流体的温度有
因为 Pv Pl Ps
Pl tl Pv tv
所以 tv tl ts
气泡外的液体是过热的，壁面上最先满足气泡的生成条件，
所以气泡最先在壁面上生成
第五章 凝结与沸腾换热 (Condensation and Boiling Heat Transfer)
§5.4 沸腾换热
二、沸腾换热计算公式 自学（不作要求）
➢膜状凝结换热的强化
第五章 凝结与沸腾换热 (Condensation and Boiling Heat Transfer)
§5.4 沸腾换热
沸腾——温度高于饱和温度的液体，在容器内产生强烈的汽 化并形成汽泡的过程
与单相介质对流换热不同 ➢有相变 ➢沸腾存在着汽泡所携带的附加质量和热量传递
第五章 凝结与沸腾换热 (Condensation and Boiling Heat Transfer)